HematopoieticSC 25Oct2011 [modalità compatibilità].pdf - HUMAN ...

CELLULE STAMINALI
APPLICAZIONI
TERAPEUTICHE
Maurilio Sampaolesi
LESSON 8
Corso ANATOMIA UMANA II
Specialistica
(2011 (2011-2012) 2012)

cellule staminali
ematopoietiche:
terapia cellulare
SCRI

• HUMAN ANATOMY II -
LESSONS- PAVIA BIOTECHNOLOGY
http://paviabiotechonology.myblog.it/

TESSUTO CONNETTIVO

CELLULE STAMINALI EMATOPOIETICHE

CELLULE STAMINALI EMATOPOIETICHE
terapia cellulare ortodossa
-sostituzione sostituzione di cellule ematopoietiche difettose o malate
(es. ADA ADA-SCID) SCID) con cellule da donatore (terapia (terapia eterologa) eterologa) o
cellule del panziente corrette geneticamente (terapia
autologa)
- LINFOMI (tumori linfocitari)
terapia cellulare non non-ortodossa ortodossa
-utilizzo utilizzo di HSC per altri tessuti effetto diretto
transdifferenziativo ed effetto autocrino autocrino-paracrino paracrino
(angiogenesi, fattori di crescita, fattori antiapoptotici,
immunosoppressivi, antiinfiammatori)
-patologie patologie cardiache (clinical trials!!!)
-patologie patologie muscolari
-altre altre patologie

Ematopoiesi embrionale
• Primitiva Primitiva-- --
– Extra Extra-embryonale
embryonale-nello nello yolk sac
– Definizione: early site of first erythrocytes in
the developing embryo. These cells can only
develop into the erythroid cell not other blood
cell lineages. Primitive red blood cells are
larger than mature red cells of the definitive
lineage, remain nucleated and express a
unique set of hemaglobins.

Isole del sangue del sacco
• Yolk sac is a bilayer
organ composed of
extraembryonic
mesoderm and
visceral endoderm.
• Yolk sac is important
in the processing of
maternal macro-
molecules and
development of first
RBC.
vitellino

Hemangioblasts
(emangioblasta)
• Progenitore teorico comune che può
differenziare sia in cellula
ematopoietica che endoteliale
• Characteristiche
– Espressione di Flk Flk-1 1 (VEGF Receptor),
kit-1 kit 1 (stem cell factor receptor)
– Altri marcatori di progenitori
ematopoietici

Primitive Red Blood Cells
• Soon after their development
of the primitive vasculature of
the embryo proper primitive
red blood cells are seen.
• These cells continue to divide
in the blood stream,
• contain 4 times as much
hemoglobin as adult cells
• There is continued
differentiation that results in
an enucleated cell similar to
adult cells.

Ruolo dei fattori di crescita
nel’eritropoiesi primitiva
• Erythropoietin
Erythropoietin-- -- growth factor associated with adult red
blood cell development has been implicated in primitive
RBC development.
• Role is still controversial but most recent data suggest and
involvement. Erythropoietin increases hemoglobin
production
• mRNA transcripts or receptor have been observed.
• However, in a erythropoietin knockout system there are still
some hemoglobin producing cells of this lineage so not
totally dependent as the fetal liver system is.

EMATOPOIESI DEFINITIVA
-Yolk Yolk Sac
• Developmental cells that can give rise to the complete set of
hematopoietic cells. Thought to be a distinct developmental event from
primitive hematopoiesis
• Initiates in yolk sac and continues in the embryo proper.
• BFU BFU-E E and CFU-E CFU E originate in yolk sac ( (mouse mouse E8.5 and 9.5 respectively
respectively)
• Theses cells then migrate into the newly formed embryo where they fully
differentiate.
• Macrophage precursors are also found in early development in the yolk
sac again suggesting definitive definitive hematopoiesis in the yolk sac.
BFU BFU-E E = Burst-Forming Burst Forming cell Unit Unit-Erythrocytes
Erythrocytes
(unità di formazione esplosiva di colonie eritrocitarie)
in vitro circa 5000 cell/colonia in presenza di IL3; insens. EPO
CFU CFU-E E = Colony formation Unit- Unit Erythrocytes
(unità di formazione di colonie eritrocitarie
in vitro circa 60 cell/colonia in presenza di EPO

EMATOPOIESI DEFINITIVA
- in Embryo Proper
• Definitive hematopoiesis
hematopoiesis-generation generation of more complex (lymphoidmyeloid
myeloid-erythroid) erythroid) progenitors and adult repopulating hematopoietic
stem cells.
• Site Site-paraaortic paraaortic splanchnopleura (PAS) and aorta-gonad
aorta gonad-mesonephros
mesonephros
(AGM) region
• Primary site of fetal hematopoiesis is the liver
• Key to understanding the development of the HSC is understanding
the unique microenvironment of each of the sites(Growth factors, cell-
cell contacts)
• Hematopoietic Stem Cells (HSC) are pluripotent cells that can develop
into all blood cell lineages and other (??) cell types.

Runx1 and AGM
Hematopoietic Development
• Transcription factor associated
with maintenance of HSC
• Knockout models lose fetal
blood development not yolk sac
• Appears in the hematopoietic
islands of the AGM during first
definitive blood production in the
embryo proper

Adult Hematopoiesis

Lymphoid Development

Maintenance of Stem Cell Populations
Role of Bone Marrow Environment and Stromal Cells

Role of Stromal Cells in
Hematopoiesis

Steps in Erythropoiesis
Self renewal vs differentiation
1.Pluripotent stem cells
2. Multipotent progenitors
3. Committed progenitors
4. Progressively maturing
precursors

Concentration of Epo modulates
growth and apoptosis of erythroblasts

CELLULE STAMINALI EMOPOIETICHE
(HSC)

Composizione del sangue
• Plasma: 55 %
• Parte corpuscolata: 45 %
– Globuli rossi 4.5 x 106 – Globuli rossi 4.5 x 10 /µl
– Globuli bianchi 9.0 x 10 3 /µl
– Piastrine 2.5 x 10 5 /µl
• Proteine plasmatiche: prealbumina,
albumina, fibrinogeno, globuline

IRRADIAZIONE X LO STUDIO DI CELLULE STAMINALI

SITI DI EMATOPOIESI NEI MAMMIFERI
(AGM) aorta aorta-gonad gonad-mesonephros mesonephros region

CD34 positive nella aorta dorsale di embrione umano

HSC nel fegato del feto murino

FREQUENZA di HSC

COME VIENE MANTENUTO IL NUMERO
DI CELLULE STAMINALI ?
DIVISIONE ASIMMETRICA
DIVISIONE SIMMETRICA

LA FREQUENZA DI CELLULE STAMINALI E’
CONTROLLATA GENETICAMENTE

LA TELOMERASI E’ RICHIESTA PER EVITARE
L’ACCORCIAMENTO DEI TELOMERI DURANTE
LA DIVISIONE DELLE HSC NEI TRAPIANTI SERIALI

ESISTE UN PROGRAMMA GENETICO PER
DEFINIRE LE CELLULE STAMINALI?

ISOLAMENTO E TRASDUZIONE DELLE HSC

PUO’ UNA CELLULA STAMINALE PLURIPOTENTE
ESSERE TOTIPOTENTE?

“TRANSDIFFERENZIAMENTO DA UNA SINGOLA HSC”
PARABIOSI SPERIMENTALE

Il trapianto di midollo osseo sembrò quindi una
nuova possibile terapia per le distrofie muscolari
E infatti un anno dopo:
Ragioni per il fallimento del trapianto
Ma in realtà meno dell’ 1% delle
fibre muscolari viene “curato”
1. Il topo mdx sviluppa una malattia meno grave della distrofia di Duchenne
2. Le cellule che formano muscolo non hanno problemi senza la distrofina
3. Il tessuto connettivo che si accumula costituisce una barriera per cellule derivate
dal circolo
4. La micro micro-circolazione circolazione del muscolo scheletrico è anche ridotta nelle distrofie
muscolari
5. I progenitori miogenici circolanti o associati ai vasi potrebbero essersi evoluti per
l’accrescimento perinatale dei tessuti più che per la loro rigenerazione
SCRI

A volte le cose vanno meglio
Purified Purified hematopoietic stem cells can differentiate into hepatocytes
in vivo
Lagasse et al. Nature Medicine 6, 1129, 2000
Cellule staminali emopoietiche da topi Rosa 26 formano nuovi
lobuli epatici (blu) quando iniettate nella vena porta di un topo
FAH FAH-/- che manca di un enzima del fegato e va incontro a necrosi
epatica quando privato di un farmaco. In questo caso le cellule
donatrici hanno un immediato vantaggio selettivo rispetto alle
cellule residenti.
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Donatori nel Mondo P.M.P. – Anno 2002
North
America (1)
20,7
Central
America (3)
7,9
Caribbean (2)
South
America (4)
2,6
19,9
Europe (5)
Asia (6)
15,9 1,1
South
Africa
2,6
Australia
10,4
perioperative multicomponent pheresis (PMP). PMP is a technique
whereby whole blood is separated into packed red blood cells,
plasma, and platelets
Fonte: International Registry – Transplant Procurement Mangement

Donatori in Europa P.M.P. – Anno 2002
SPAGNA __________ 33,7
AUSTRIA __________ 24,3
BELGIO ___________ 21,7
PORTOGALLO _____ 21,7
FRANCIA __________ 20,0
ITALIA _________ 18,0*
FINLANDIA ________ 17,0
NORVEGIA ________ 13,7
UK________________ 13,0
DANIMARCA ______ 12,7
POLONIA _________ 12,7
OLANDA __________ 12,6
GERMANIA ________ 12,2
SVEZIA ___________ 11,1
SVIZZERA_________ 10,4

21,1
8,8
Abruzzo - Molise
3,4
14,5
Basilicata
7,0
Attività donazione per regione – Anno 2003*
11,2
Calabria
7,4
8,5
Campania
30,8
34,3
Emilia Romagna
18,6
17,5
Friuli Venezia Giulia
Donatori Donatori Utilizzati Utilizzati –– P.M.P. P.M.P.
12,1
9,7
Lazio
21,1
26,5
Liguria
19,6
17,2
Lombardia
13,7
22,3
Marche
22,2
Piemonte - Valle d'Aosta
20,5
39,1
26,2
Prov. Auton. Bolzano
12,6
7,2
10,5
9,5
10,0
12,9
Prov. Auton. Trento
Puglia
Sardegna
Anno 2002 Anno 2003*
7,6
6,4
Sicilia
23,7
22,9
17,2
21,1
24,9
23,4
Toscana
Umbria
Veneto
* Proiezione annuale su dati del 31 luglio 2003

3.667
Attività Attività trapianto di cellule staminali emopoietiche
Totale trapianti
4.245
3.898
2001 2002 2003*
2.632
Autologo
3.077
2.786
2001 2002 2003*
1.025
Allogenico
1.168
1.112
2001 2002 2003*

Trapianto di cellule cellule staminali emopoietiche in Europa
2003
3.898
3.499
3.195
Italy *
Germany
France
2.104
1.889
United Kingdom
Spain
FONTE: EBMT Activity survey 2001: A. Gratwohl, H. Baldomero, Basel, Switzerland
577
573
527
443
429
373
368
317
281
277
223
184
166
166
138
132
127
107
100
92
63
37
27
20
13
12
12
11
9
4
Poland
Netherlands
Belgium
Czech Republic
Sweden
Turkey
Israel
Austria
Switzerland
Finland
Portugal
Greece
Iran
Russia
Denmark
Hungary
Norway
Slovakia
Croatia
Ireland
Republic of Belarus
Ukraine
Slovenia
Serbia and Montenegro
Lithuania
Bulgaria
Estonia
Cyprus
Macedonia
Rumania